ragi super: teknologi molekuler bio-arming untuk - Biotrends

BioTrends Vol.7 No.1 Tahun 2016
RAGI SUPER: TEKNOLOGI MOLEKULER BIO-ARMING UNTUK
PEMANFAATAN LIMBAH LIGNOSELULOSA MENJADI ETHANOL
SEBAGAI PENGGANTI BENSIN
FILEMON JALU N.P
Laboratorium Biokatalis dan Fermentasi
Pusat Penelitian Bioteknologi LIPI
Jl. Raya Bogor KM. 46. Cibinong
D
ewasa ini penggunaan
serta kebutuhan akan
energi sangat luar biasa
tinggi. Setiap tahunnya
konsumsinya terus mengalami
peningkatandrastis. Hal ini
disebabkan karena faktor
permintaan energi sangat tinggi.
Bidang industri dan transportasi
mengambil bagian terbesar dalam
penggunaan energi. Hal ini
berbanding terbalik dengan suplai
energi yang dihasilkan dari energi
fosil seperti bensin yang terbatas
dan tak terbaharui. Peningkatan
ini menyebabkan krisis energi
baik di dunia dan terkhusus di
Indonesia. Penelitian dan
pengembangan alternatif energi
pengganti bensin banyak dan
gencar dilakukan. Ethanol dari
golongan biofuel adalah salah
satu alternatif energi yang dapat
mensuplai kontribusi energi saat
ini. Saccharomyces cerevisiae
atau yang umum disebut ragi
menjadi aspek yang sangat vital
dalam produksi bioethanol
(Fujita, 2004). Ragi sebagai
mikroorganisme pengkonversi
gula dari biomassa limbah
lignoselulosa yang tidak terpakai,
dapat digunakan sebagai alternatif
bahan bakar yang sangat
signifikan
manfaatnya.Lignoselulosa adalah
biomassa yang terdiriatas lignin,
selulosa, dan hemiselulosa.
Namun kendala dari alternatif
energi ini adalah kurang
mampunyai sel ragi dalam
menghasilkan ethanol karena
beragam kondisi fermentasi yang
kurang sesuai seperti adanya
inhibitor kimia akibat proses
treatment limbah biomassa
lignoselulosa dan lain-lain.
Pembuatan ragi super dengan
teknik bio-arming memliki tujuan
penggunaan yang terfokus pada
adaptifterhadapberagam
inhibitor.
Konsep sel ragi super
Super dengan teknik rekayasa
permukaan sel serta aplikasinya.
Krisis energi terutama bahan
bakar cair seperti bensin. Saat ini
sedang mengalami defisit karena
penggunaannya yang sangat tinggi
dan tidak diimbangi pembaharuan
serta pemanfaatan alternatif
bahan bakar lain yang dinilai
Gambar 1. Konsep permukaan sel ragi
produksi ethanol dari limbah
lignoselulosa pertanian seperti
sekam padi, tongkol jagung,
maupun seresah yang
31
masih kurang optimal (Kuroda,
2010). Istilah lebih besar pasak
dari pada tiang sangat tepat untuk
menggambarkan kondisi dari
bahan bakar cair saat ini.
BioTrends Vol.7 No.1 Tahun 2016
Berdasarkan pada data
statistik pada tahun 2014.
Bahan bakar fosil
menempati urutan tertinggi
dengan dengan presentase
86%, sedangkan untuk
energi alternatif terbarukan
hanya 9.3% (IEA, 2014).
Kondisi tersebut
menciptakan keresahan dari
berbagai pihak. Pencarian
alternatif energi serta
pengoptimalan potensi
energi tersebut gencar
dilakukansaat ini. Ethanol
adalah salah satu dari
golongan energi bahan
bakar cair yang terbarukan.
Peningkatan potensi
produksi ethanol ini dapat
dikembangkan melalui
pengembangan ragi yang
menjadi mikroorganisme
pengkonversi biomassa
menjadi ethanol. Konsep aplikasi
dari manfaat lain teknik rekayasa
permukaan sel yang akan
diterapkan pada ragi serta ragam
aplikasi lainnya dijelaskan pada
gambar 1.
Super ragi ini
dapat secara
maksimal
memanfaatkan
limbah-limbah
pertanian untuk
dirubah jadi
ethanol
sehingga dapat
menjadi
alternatif yang
sangat baik
sebagai energi
pengganti
bensin.
biofuel.Sistem tampilan
permukaan sel atau sel “surface
display system” adalah platform
berharga bagi pemuliaan
molekuler sel ragi fungsional baru
yang optimal melalui
menempatkan screening dari
pustaka protein/peptida dengan
mutasi kombinatorial (Jakopec,
2011).Lokasi permukaan sel,
seperti dinding sel dan membran
sel, memainkan peran penting
dalam transduksi sinyal,
pengakuan substansi, dan
berbagai reaksi, dan target
sehingga menjanjikan untuk
rekayasa seluler. Dalam sistem ini,
protein heterolog fungsional/
peptida ditampilkan di permukaan
sel dengan fusi dengan bagian dari
dinding sel atau membranpenahan protein sel. Tampilan
permukaan sel protein/peptida
fungsional akan menyebabkan
peningkatan kemampuan
permukaan sel ragi menjadi
rekayasa dengan fungsi baru.
Peningkatan kemampuan ragi ini
membuat ragi jadi sangat
kompeten dalam proses produksi
bioethanol dengan kondisi suhu
tinggi, tekanan osmotik tinggi,
maupun kehadiran inhibitor kimia
yang dapat menghambat proses
fermentasi.
Ragi super dan teknologi bioarming sebagai kunci alternatif
energi
Kunci permasalahan dari
produksi ethanol ini adalah
dengan membuat ragi berkualitas
super yang mampu menghasilkan
ethanol langsung dari biomassa
ataupun biomassa yang sudah
diperlakukan sehingga
menghasilkan ethanol. Bioarming terkhusus dalam
teknologi rekayasa permukaan
sel ragi atau dapat disebut
arming yeast adalah rekayasa sel
sistem ragi yang
Gambar 2. Gambaran sistem permukaan sel dalam ragi berdasarkan
memungkinkan melakukan
α-agglutinin. (A) membangun gen untuk tampilan
inovasi untuk meningkatkan
permukaan sel dari protein/peptide target. (B) tampilan
fungsi seluler diberbagai
permukaan sel dari protein fusi dengan setengah Caplikasi seperti produksi
terminal α-agglutinin (Kuroda, 2014).
32
BioTrends Vol.7 No.1 Tahun 2016
Konstruksi ekspresi plasmid
untuk surface display pada ragi
super
Plasmid yang akan
ditransformasikan, disiapkan
dengan konstruksi amplifikasi
fragmen penyandi DNA protein
target/peptide pada permukaan
sel ragi bersama dengan enzim
restriksi pada kedua ujungnya
oleh DNA polimerase (Kuroda,
2011). Setelah plasmid siap
selanjutnya dilakukan
transformasi ragi dengan
konstruksi ekspresi plasmid. Ragi
yang berpotensi menghasilkan
bioethanol ditingkatkan
kemampuannya dengan
melakukan transformasi dengan
menggunakan YEAST MAKER
(suatu sistem transformasi
untuk ragi). Setelah dilakukan
transformasi gen plasmid ke ragi.
Selanjutnya ragi dikarakterisasi
dengan menggunakan DNA
polimerase dengan primer Gas-F
dan Agα-Runtukmengkonfirmasi
proses ligase (Kuroda, 2014).
Gambar 3. Peta plasmid untuk tampilan permukaan sel dan urutan
sekitar lokasi multi-kloning. (A) pULD1 untuk sel display
permukaan dengan FLAG-tag. (B) pKRD4 untuk tampilan
permukaan sel dengan DsRed-monomer dan FLAG-tag.
Kedua plasmid dalam bingkai tanpa ligasi fragmen DNA
ke dalam situs multi-kloning (Kuroda, 2014).
Pemanfaatan limbah biomassa
lignoselulosa jadi ethanol
Ragi super ini ke depand
iharapkan dapat digunakan pada
produksi ethanol dari limbah
lignoselulosa pertanian seperti
Pada gambar 2 dijelaskan konsep sekam padi, tongkol jagung,
permukaan sel ragi berdasarkanα- maupun seresahdaun. Ragi
dengan kemampuan merubah
agglutinin.Bagian (a) konstruksi
gen untuk permukaan sel ragi dari gula menjadi ethanol akan
protein target.Gambar bagian (b) ditingkatkan kemampuan
metaboliknya secara molekuler
menjelaskan permukaan sel dari
(Blount, 2012). Super ragi dengan
fusi dengan setengah C-terminal
kemampuan metabolisme ragi
α-agglutinin dan protein
target.Penjelasan tentang plasmid untuk mengkonversi gula seperti
glukosa, xylose, dan jenis sakarida
untuk ragi super digambar kan
lain menjadi ethanol dalam
dengan gambar 3.Rancangan
plasmid untuk permukaan sel ragi. kondisi stres lingkungan
fermentasi. Kondisi stres pada
proses fermentasi ini seperti suhu
fermentasi yang tinggi, tekanan
osmotik tinggi, pH media
fermentasi, serta bahkan inhibitor
kimia yang membunuh ragi dan
menghambat produksi ethanol,
seperti furfufal, 5HMF, acetic acid,
formic acid, levulinic acid, vanillin,
dan syringaldehyde. Dengan
pengembangannya super ragi ini
dapat secara maksimal
memanfaatkan limbah-limbah
pertanian untuk dirubah jadi
ethanol sehingga dapat menjadi
alternatif yang sangat baik sebagai
energi pengganti bensin.
Daftar Pustaka
Blount BA, Weenink T, Ellis T
Fujita Y, Ito J, Ueda M, Fukuda H,
types of cellulolytic enzyme.
(2012) Construction of
Kondo A (2004) Synergistic
Appl Environ Microbiol
synthetic regulatory
saccharifihcation, and direct
70:1207–1212
networks in yeast. FEBS Lett
fermentation to ethanol, of
586(15):21122121.
amorphous cellulose by use International Energy Agency
10.1016/j.febslet.2012.01.0
of an engineered yeast
(IEA)(2014).
3
strain codis playing three
http://www.iea.org/publica
33
BioTrends Vol.7 No.1 Tahun 2016
tions/freepublications/
publication/keyworld2014.
9 rue de la Fédération,
75739 Paris Cedex 15,
France
Kondo & Ueda. 2004. Yeast cellsurface display-applications
of molecular display. Appl
Microbiol Biotechnol.64:
28–40.
Jakopec V, Walla E, Fleig U (2011) Kuroda K, Ueda M (2010)
Versatile use of
Engineering of
Schizosaccharomyces
microorganisms towards
pombe plasmids in
recovery of rare metal ions.
Saccharomyces cerevisiae.
Appl Microbiol Biotechnol
FEMS Yeast Res 11:653–655
87:53–60
34
Kuroda K, Ueda M (2011)
Molecular design of the
microbial cell surface
toward the recovery of
metal ions. Curr Opin
Biotechnol 22:427–433
Kuroda K, Ueda M (2014)
Generation of Arming
Yeasts with Active Proteins
and Peptides via Cell
Surface Display System: Cell
Surface Engineering, Bioarming Technology